Керована тактовим сигналом напівпровідникова інтегральна схема і спосіб (варіанти) приведення в дію керованої тактовим сигналом напівпровідникової інтегральної схеми

1 Напівпровідникова інтегральна схема, що містить певну КІЛЬКІСТЬ керованих тактовим сигналом (Clint), здатних виконувати операції як паралельно, так і послідовно, функціональних вузлів (S1, S2, S3, HS), яка відрізняється тим, що вихід схеми формування тактового сигналу (Clmt) через керовані перемикальні пристрої (МР1, МР2, МРЗ, МР4) з'єднаний з тактовими входами функціональних вузлів (S1, S2, S3, HS), керуючі входи перемикальних пристроїв (МР1, МР2, МРЗ, МР4) з'єднані з виходом генератора (ZSG) випадкового сигналу, а приведення в дію одного з функціональних вузлів (S1, S2, S3, HS) здійснюється паралельно або послідовно з одним чи кількома іншими функціональними вузлами (S1, S2, S3, HS) у ВІДПОВІДНОСТІ із випадковим сигналом 2 Напівпровідникова інтегральна схема за п 1, яка відрізняється тим, що схема формування тактового сигналу (Clmt) виконана у вигляді керованого генератора (TSG1, TSG2, TSG3, TSG) тактової частоти, керуючий вхід котрого з'єднаний з виходом генератора (ZSG) випадкового сигналу, завдяки чому момент фронту перемикання тактового сигналу (Clmt) змінюється у ВІДПОВІДНОСТІ ІЗ випадковим сигналом 3 Напівпровідникова інтегральна схема за п 1 або 2, яка відрізняється тим, що вона містить щонайменше дві схеми формування тактових сигналів, причому тактові входи першої групи функціонального вузла (S1) з'єднані з виходом першої схеми формування тактового сигналу, тактові входи другої групи функціонального вузла (S2) з'єднані з виходом другої схеми формування тактового сигналу і при необхідності тактові входи наступних груп функціональних вузлів (S3) з'єднані з виходами наступних схем формування тактових сигналів 4 Напівпровідникова інтегральна схема за п З, яка відрізняється тим, що перемикальні пристрої виконані у вигляді мультиплексорів (МР1, МР2, МРЗ, МР4), причому входи кожного з мультиплексорів з'єднані з виходами усіх схем формування тактових сигналів, керуючий вхід кожного з мультиплексорів з'єднаний з одним із виходів генератора випадкових сигналів, а вихід кожного з мультиплексорів з'єднаний з тактовими входами ВІДПОВІДНОГО функціонального вузла 5 Напівпровідникова інтегральна схема за одним із пп 2-4, яка відрізняється тим, що щонайменше один із генераторів (TSG1, TSG2, TSG3, TSG) тактової частоти виконаний у вигляді керованого напругою генератора (VCO) 6 Напівпровідникова інтегральна схема за одним із пп 2-5, яка відрізняється тим, що щонайменше один із генераторів (TSG1, TSG2, TSG3, TSG) тактової частоти оснащений контуром фазового регулювання, який містить подільник (Т) частоти, керуючі входи котрого з'єднані з виходами генератора (ZZG) випадкових чисел 7 Напівпровідникова інтегральна схема за одним із попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що щонайменше один із функціональних вузлів є допоміжним вузлом (HS) 8 Спосіб приведення в дію керованої тактовим сигналом напівпровідникової інтегральної схеми, який відрізняється тим, що перед і/або під час, і/або після операцій, які виконуються функціональними вузлами (S1, S2, S3) напівпровідникової інтегральної схеми і потребують кожна певної КІЛЬКОСТІ періодів тактового сигналу, вводять задану випадковим сигналом КІЛЬКІСТЬ періодів тактового сигналу допоміжного вузла (HS), який має такий же споживаний струм, що й функціональні вузли (S1, S2, S3) 9 Спосіб приведення в дію керованої тактовим сигналом напівпровідникової інтегральної схеми, який відрізняється тим, що під час виконання першим функціональним вузлом (S1) напівпровідникової інтегральної схеми операції, яка потребує певної КІЛЬКОСТІ періодів тактового сигналу, на час тривалості заданого випадковим сигналом часово О Ю ю 57154 го інтервалу приводять в дію щонайменше один час щонайменше одного заданого випадковим наступний функціональний вузол (S2) шляхом посигналом часового інтервалу припиняють операдачі на нього того ж або іншого тактового сигналу цію, виконувану першим функціональним вузлом 10 Спосіб за п 9, який відрізняється тим, що під (S1) Винахід стосується напівпровідникової інтегральної схеми, що містить певну КІЛЬКІСТЬ керованих тактовим сигналом, працюючих як паралельно, так і послідовно, функціональних вузлів, а також способу приведення в дію такої напівпровідникової інтегральної схеми Напівпровідникові інтегральні схеми служать переважно для обробки сигналів чи даних і реалізовані на основі цифрової схемотехніки Такі цифрові схеми потребують наявності тактового сигналу для синхронізації роботи и функціональних вузлів Дуже часто деякі процедури оброблюються за певними протоколами Ці протоколи потребують певної КІЛЬКОСТІ періодів тактового сигналу За прототип заявленого обєкта прийнято спосіб для захисту обміну даними між платою пам'яті та ЗОВНІШНІМ пристроєм (JP-A-60231285, МПК6 G 06 К 17/00, 16 11 85) У цьому документі описується інтегральна напівпровідникова схема, яка генерує ПОСЛІДОВНІСТЬ випадкових чисел за допомогою генератора випадкового сигналу Застосування, наприклад, в напівпровідникових інтегральних схемах для чіп-карток необхідний тактовий сигнал підводиться ззовні через приєднувальний вивід В критичних щодо безпеки застосуваннях, зокрема коли оброблювані сигнали стосуються грошових сум або санкціонування доступу, існує особливий інтерес можливого зловмисника до отримання інформації про операцію обробки з метою впливу на результат обробки Ця інформація може бути здобута із тривалості виконання окремих операцій або із КІЛЬКОСТІ необхідних для цього періодів тактового сигналу, особливо коли уже ВІДОМІ часткові дані про вид цих операцій Напівпровідникові інтегральні схеми для чіпкарток містять певну КІЛЬКІСТЬ функціональних вузлів, таких як процесор, співпроцесор, енергонезалежну пам'ять з ВІДПОВІДНОЮ програмувальною логікою, схему введення/виведення даних, як, наприклад, універсальний асинхронний приймач/передавач, та ІНШІ В інтересах максимально можливої швидкості обробки даних була б бажана одночасна робота цих різних функціональних вузлів, тому в багатьох випадках під час запису даних у енергонезалежну пам'ять роблять спроби виконувати певну задачу процесором і одночасно ініціювати роботу співпроцесора, тоді як універсальний асинхронний приймач/передавач приймає дані ззовні чи передає їх назовні При виконанні певних операцій схема споживає електроенергію головним чином під час фронтів перемикання тактового сигналу, внаслідок чого шляхом спостереження або контролю струму, що втікає в інтегральну схему, може бути, з одного боку, визначений момент фронту перемикання тактового сигналу, якщо він надходить ІЗ-ЗОВНІ, а, з іншого боку - визначена тривалість окремих операцій, що при тривалому спостереженні допоможе встановити, коли яка операція відбувається Потім за певних умов із даних про загальну процедуру можна зробити висновок про окремі операції і, тим самим, про структуру напівпровідникової інтегральної схеми Тому задачею даного винаходу є перешкоджання спробам розпізнавання операцій, що відбуваються у напівпровідниковій інтегральній схемі, шляхом реєстрації ПІКІВ струму споживання Задача вирішена тим, що в приналежній до даного роду напівпровідниковій інтегральній схемі вихід схеми формування тактового сигналу з'єднаний з тактовими входами функціональних вузлів інтегральної схеми через керовані перемикальні пристрої, а також тим, що управляючі виходи перемикальних пристроїв з'єднані з виходом генератора випадкового сигналу, завдяки чому робота функціонального вузла здійснюється паралельно чи послідовно з роботою інших функціональних вузлів в залежності від випадкового сигналу Ця задача вирішена способом згідно з пунктами 8 і 9 формули винаходу ДОЦІЛЬНІ вдосконалення винаходу наведені у додаткових пунктах формули винаходу Таким чином, у напівпровідниковій інтегральній схемі згідно з винаходом паралельним чи послідовним виконанням операцій різними функціональними вузлами керують за допомогою залежного від випадкового сигналу подавання на них чи блокування тактового сигналу При цьому може бути реалізований режим роботи, при якому виконання операції першого функціонального вузла припиняють, починають або продовжують виконання операції іншого функціонального вузла, а потім послідовно або одночасно продовжують виконання першої операції Завдяки цьому тривалість певної операції при кожному повторному и виконанні має різне значення, тому за тривалістю операції більше не можна встановити, що йдеться про ту саму операцію У вдосконаленому варіанті винаходу вивід, з якого знімають тактовий сигнал, є виходом керованого генератора тактового сигналу, управляючий вхід котрого з'єднаний з виходом генератора випадкового сигналу, завдяки чому момент фронту перемикання тактового сигналу змінюється в залежності від випадкового сигналу При цьому особливо доцільним є виконання, при якому коливання випадкового сигналу ПОВІЛЬНІ порівняно з середньою тривалістю періоду тактового сигналу, одначе амплітуда випадкового сигналу від операції до операції змінюється настільки, що однакові операції виконуються з різною тактовою частотою і, таким чином, завжди мають різну тривалість Завдяки цьому детектування фронтів 57154 тактового сигналу значною мірою утруднюється При цьому виконанні напівпровідникової інтегральної схеми усувається зв'язок між ЗОВНІШНІМ тактовим сигналом і сформованим в інтегральній схемі внутрішнім тактовим сигналом Під дією генератора випадкового сигналу внутрішній генератор тактового сигналу формує нерегулярний тактовий сигнал, внаслідок чого майже неможливе встановлення ВІДПОВІДНОСТІ МІЖ певними операціями і певними інтервалами часу В наступному варіанті виконання винаходу напівпровідникова інтегральна схема містить щонайменше два генератори тактових сигналів з різними частотами, причому управління однією групою функціональних вузлів здійснює перший тактовий сигнал, а управління другою групою функціональних вузлів здійснює другий тактовий сигнал В разі необхідності ІНШІ функціональні вузли можуть бути приведені в дію іншими тактовими сигналами Зокрема в разі виконання операцій впереміж функціональними вузлами, що приводяться в дію тактовими сигналами з різними частотами, досягається подальше надання випадкового характеру тривалості виконання операцій В особливо переважному варіанті вдосконалення цього принципу окремі перемикальні пристрої виконані у вигляді мультиплексорів, через які кожен тактовий сигнал може підводитися до кожного функціонального вузла Управління мультиплексорами здійснюють випадковим сигналом або різними випадковими сигналами, внаслідок чого певний функціональний вузол може приводитися в дію різними тактовими сигналами, частота котрих додатково може змінюватися випадковим чином У наступному варіанті винаходу генератор тактового сигналу виконано у вигляді керованого, зокрема керованого напругою, генератора Інша реалізація генератора тактового сигналу може бути здійснена з використанням контуру фазового регулювання, який містить керований подільник частоти, через який в тактовий сигнал вводяться коливання частоти Генератор випадкового сигналу може бути виконаний у вигляді генератора випадкових чисел, що має довільну КІЛЬКІСТЬ цифрових виходів для безпосереднього управління подільником частоти контуру фазового регулювання Одначе до виходу генератора випадкових чисел може бути під'єднаний цифро-аналоговий перетворювач, вихід котрого з'єднаний, наприклад, з управляючим виходом генератора Зазвичай використовують генератор випадкових чисел лише з одним виходом, тому здійснюють лише перемикання генератора між двома значеннями частоти сигналу Можна також до виходу стабільного генератора під'єднати подільник частоти, керований генератором випадкових чисел Принцип полягає в формуванні частотномодульованого тактового сигналу, глибина модуляції якого підлягає статистичним коливанням При цьому доцільним є середнє значення тривалості періоду сформованого генератором випадкового сигналу модуляційного сигналу, яке приблизно дорівнює середній тривалості операцій, виконуваних у напівпровідниковій інтегральній схемі В особливо переважному варіанті виконання винаходу один із вузлів напівпровідникової інтегральної схеми виконаний у вигляді допоміжного вузла, що має майже такий же споживаний струм, що й решта функціональних вузлів, але не виконує операцій, суттєвих для функціонування напівпровідникової інтегральної схеми Кероване випадковим сигналом перемикання на цей допоміжний вузол перед і/або під час і/або після операцій, що виконуються функціональними вузлами напівпровідникової інтегральної схеми і потребують кожна певної КІЛЬКОСТІ періодів тактового сигналу, веде до випадковим чином змінених значень тривалості виконання цих операцій, що унеможливлює розпізнавання цих операцій шляхом реєстрації струму, споживаного напівпровідниковою інтегральною схемою Особливо доцільним є режим, при якому під час виконання операції в одному з функціональних вузлів здійснюють як кероване випадковим сигналом перемикання на допоміжний вузол, так і кероване випадковим сигналом ініціювання або припинення виконання операції в тому чи іншому функціональному вузлі Нижче приклади виконання винаходу детальніше пояснюються з використанням фігур На них схематично зображено фіг 1 принципова блок-схема напівпровідникової інтегральної схеми згідно з винаходом, фіг 2 наступна принципова блок-схема напівпровідникової інтегральної схеми згідно з винаходом, фіг 3 варіант генератора тактового сигналу з цифровим генератором випадкових сигналів, фіг 4 варіант генератора тактового сигналу з контуром фазового регулювання, фіг 5 часові діаграми операцій із ЗОВНІШНІМ тактовим сигналом і згідно з винаходом На фіг 1 зображена блок-схема напівпровідникової інтегральної схеми згідно з винаходом, яка містить три функціональні вузли S1, S2, S3 Крім того, інтегральна схема містить допоміжний вузол HS Передбачені також три генератори тактових сигналів TSG1, TSG2, TSG3, виходи яких через мультиплексори МР1, МР2, МРЗ, МР4 можуть бути з'єднані з функціональними вузлами S1-S3 і з допоміжним вузлом HS Управляючі входи мультиплексорів МР1-МР4 з'єднані з виходами генератора ZSG випадкових сигналів Ще один вихід генератора ZSG випадкових сигналів з'єднаний з генераторами тактових сигналів TSG1-TSG3 Таким чином, як видно із зображеної на фіг 1 блок-схеми, в напівпровідниковій інтегральній схемі згідно з винаходом можна послідовно або паралельно приводити в дію різні функціональні вузли S1-S3 і допоміжний вузол HS тактовими сигналами різної частоти Зокрема, шляхом перемикання на допоміжний вузол HS під час виконання операції одним із функціональних вузлів S1-S3 створюються обманні такти, завдяки чому зовнішньому спостерігачу виконання функціональної операції буде здаватися більш тривалим, ніж це є насправді Можна також шляхом паралельного тактування двох функціональних вузлів короткі операції об'єднати в одній більш довгій операції На фіг 2 штрих-пунктирною ЛІНІЄЮ обведена напівпровідникова інтегральна схема 1, яка окрім 57154 8 операцій І і II при звичайному зовнішньому тактовому сигналі Clext і при тактовому сигналі Clmt, сфорованому згідно з винаходом Зображений у верхній частині фіг 5 ЗОВНІШНІЙ тактовий сигнал Clext має постійну частоту Перша операція І має тривати ВІСІМ періодів, а друга операція II має тривати чотири періоди Як чітко видно із фіг 5, перша операція І мала б тривати завжди один і той те час, так само, як і друга операція II Зловмисник, який, наприклад, за струмом споживання визначає, коли відбуваються операції в напівпровідниковій інтегральній схемі, при повторенні послідовностей змін сигналів певної тривалості міг би зробити висновок, що мова йде про операцію, яка вже була ним один раз зареєстрована На противагу цьому у нижній частині фіг 5 наведений внутрішній тактовий сигнал Clmt зі змінною частотою Так, тривалість періоду змінюється в моменти часу t1, t2, t3 і t4 Крім того, заштрихованими періодами тактового сигналу Clmt проілюстровано перемикання на допоміжну схему, тобто додавання фальшивих тактів Окремі тактові періГенератор TSG тактового сигналу може бути оди операції І позначені цифрами 1-8 Видно, що виконаний у вигляді генератора, керованого наспочатку операція І має тривалість Т1, причому в пругою, і управління ним може здійснюватися гецьому інтервалі часу в моменти часу t1 112 частота нератором ZSG випадкових сигналів з аналоговим тактового сигналу Cltnt змінюється і додаються три виходом фальшивих такти Таким чином, інтервал часу Т1 Як показано на фіг 3, генератор ZSG випадконе має жодного зв'язку з дійсною тривалістю викових сигналів може бути також виконаний у вигляді нання операції І генератора ZZG випадкових чисел з будь-якою КІЛЬКІСТЮ цифрових виходів У зображеному на Слідом за першим виконанням операції І пофіг 3 варіанті генератора TSG тактового сигналу з чинається друге виконання операції І, тактові періаналоговим входом генератор ZZG випадкових оди котрої також позначені цифрами 1-8 Тут після чисел з'єднаний з цифро-аналоговим перетворюдругого тактового періоду вставлений фальшивий вачем D/A, аналоговий вихід котрого з'єднаний з такт, а потім здійснене перемикання на інший функеруючим входом генератора TSG тактового сигкціональний вузол, в якому виконується операція налу II її тактові періоди позначені цифрами 1'-4' По закінченні двох тактових періодів операції II вставВ принципі можна також після звичайного гелений фальшивий такт Після цього в момент часу нератора тактових сигналів під'єднати керований t3 з одного боку змінюється частота, а з іншого подільник частоти, роботою котрого керує генерабоку - знову здійснюється перехід на операцію І В тор ZZG випадкових чисел Таким чином також наступних двох тактових періодах паралельно можна сформувати внутрішній тактовий сигнал виконуються операції І і II Потім закінчується інClmt, який має ЗМІННІ в часі частоту чи період Татервал Т2 виконання операції II, а операція І трикий приклад виконання зображений на фіг 4 всеває до закінчення інтервалу Т1' редині штрих-пунктирної лінії Використовуваний в цьому разі тактовий сигнал СГ зображений штриОперації І і II як і раніше потребують ВІДПОВІДховою ЛІНІЄЮ НО ВІСІМ періодів і чотири періоди тактового сигналу Таким чином, загальна тривалість двох викоНа фіг 4 зображено також доповнення оснанань першої операції становить Т1 і Т1', а щеного керованим подільником Т частоти генератривалість операції II становить Т2 Як видно із тора тактового сигналу до контуру фазового регунижньої частини фіг 5, інтервали Т1 і Т1' мають лювання Для цього вихідний сигнал подільника Т різну тривалість, а операція II взагалі не виконучастоти, а також ЗОВНІШНІЙ тактовий сигнал Clext ється як окремий процес, завдяки чому зловмисподані на фазовий детектор, вихідний сигнал котник не зможе розпізнати, про які операції йдеться рого через фільтр TPF нижніх частот підведений до входу керованого напругою генератора VCO В За допомогою напівпровідникової інтегральної цьому разі вихідний сигнал керованого напругою схеми згідно з винаходом просто, але ефективно генератора VCO є внутрішнім тактовим сигналом усувається спроба вивідання її структури шляхом Clmt, заданим генератором ZZG випадкових чисел визначення тривалості певних операцій На фіг 5 представлені різні тривалості двох іншого містить схеми 2, 3, якими можуть бути запам'ятовуючі пристрої або ЛОГІЧНІ схеми Тактування цих схем 2, 3 здійснюється внутрішнім тактовим сигналом Clmt, виробленим генератором TSG тактового сигналу Генератор TSG тактового сигналу має управляючий вхід, з'єднаний з виходом генератора ZSG випадкових сигналів До напівпровідникової інтегральної схеми підведений також ЗОВНІШНІЙ тактовий сигнал Сіехі, в якості тактового сигналу поданий на схему 4 Завдяки додатковому використанню зовнішнього тактового сигналу Clext, операції в різних вузлах інтегральної схеми можуть виконуватися з різними тактовими частотами Внаслідок цього встановлення ВІДПОВІДНОСТІ МІЖ певними операціями і певними періодами часу значною мірою утруднена Крім того, є функціональні вузли, як, наприклад, схеми введення/виведення даних, які мають тактуватися ЗОВНІШНІМ тактовим сигналом, оскільки вони отримують дані від зовнішнього терміналу і мають працювати синхронно з ним 57154 10 ФІГ. 1 £J 12 ZZG D/A СІ TSG : ФІГ.З ФІГ. 2 ФІГ. 4 Г JPF S-J-l vco Clir ZZG 1 ii LJLJILJlJlJILIlJsliFI Ш Ш Щ\Щ ЖШШШІЖМЖЖ Комп'ютерна верстка Е Ярославцева Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна